Принципы работы светодиодов и светодиодных светильников

Светодиод – полупроводниковый кристалл, генерирующий свет конкретного цвета. Диапазон спектра излучения светодиода в значительной степени зависит от химического состава использованных полупроводников. Он кардинально отличается от традиционных источников освещения (ламп накаливания, люминесцентных и газоразрядных ламп). В светодиоде нет нити накала и газа, а также отсутствуют хрупкая стеклянная колба и ненадежные подвижные детали.

 

История развития светодиодов

Первый светодиод с красным спектром излучения создан в 1962 г. Ником Холоньяком в корпорации General Electric. Монохромные красные светодиоды в 60-е годы XX века применялись для производства маленьких световых индикаторов в различных электроприборах. Первые светодиоды испускали слабый свет, имели относительно высокое энергопотребление, однако, данное направление оказалось очень перспективным и получило бурное развитие. В 70-х годах XX века появились светодиоды, излучающие желтый и зеленый свет. Их начали применять в различной мелкой электронике — калькуляторах, часах, аварийных указателях и т.п. Световой поток светодиодов постоянно улучшался, и к 1990 году вырос до значения 1 люмен (Лм).

В 1993 году в японской компании Nichia инженер Суджи Накамура впервые создал первый синий светодиод повышенной яркости. Так как синий, красный и зеленый цвета — главные составляющими света, то после этого изобретения, можно было получить любой цвет излучения светодиодов, в том числе и белый. Первые белые светодиоды изготовлены в 1996 году. В конце 90-х годов светодиодное освещение постепенно сменяет традиционные лампы с вольфрамовой нитью накала там, где необходим окрашенный свет.

В 2001 – 2005 годах световой поток светодиодов значительно увеличился и достиг значений в 100 лм и выше. Белые светодиоды обрели оттенки — теплые и холодные, приближенные к естественному освещению. Высокоэффективные светодиодные источники освещения составили конкуренцию традиционным практически во всех областях, уличное освещение в городах начали переводить на светодиодное.  Получили распространение такие изделия как прожектор светодиодный и офисный светодиодный светильник. В настоящее время светодиодные источники освещения производятся различных форм, характеристик и назначения, например, светодиодные прожекторы, офисные светильники, светильники для бытового освещения, промышленные и уличные светодиодные светильники.

 

Принцип работы светодиодов

Светодиод состоит из одного полупроводникового p-n-перехода. В результате легирования, материал n-типа собирает отрицательные заряды, а материал р-типа – положительные. Атомы в материале n-типа обогащаются дополнительными электронами, а атомы в материале р-типа обогащаются вакантными местами на внешних электронных орбитах атомов.

При попадании диода в электрическое поле, электроны и дырки стремятся к p-n-переходу. При приближении носителей зарядов к p-n-переходу, электроны проникают в материал р-типа. При подключении отрицательного напряжения к материалу n-типа через диод протекает электрический ток в направлении от материала n-типа в материал р-типа, данный эффект назван прямым смещением.

Все светодиоды освещения схожи по строению. Они состоят из полупроводникового кристалла, установленного на подложку, контактов для подключения к сети, соединительных проводников для подсоединения контактов к кристаллу, теплоотводящего элемента, оптической линзы и корпуса.

Индикаторные светодиоды являются маломощными, поэтому все генерируемое в них тепло рассеивается внутри них самих. Осветительные же светодиоды выделяют значительно больше тепла, поэтому им дополнительно требуется корпус с прямым припаиванием к поверхности для обеспечения интенсивного отвода тепла (типичный пример массивного теплоотводящего корпуса — уличный светодиодный светильник)

 

Основные элементы и строение светодиодных приборов

Для использования в освещении, светодиоды должны быть объединены в единую систему, состоящую из драйвера, оптических линз, источника питания и теплоотводящего материала. Данные компоненты присутствуют в любом светодиодном светильнике.

Типовые светодиодные светильники включают в себя следующие составляющие:

• Светодиодные элементы.

• Блок питания, схемы управления и преобразователи напряжения.

• Вентиляционные отверстия и радиаторы и другие устройства для отвода тепла.

• Оптические линзы для смешивания, направления и рассеивания света.

 

 

Также светодиодные светильники включают в себя кабели для подключения к электропитанию. Линейные светильники, например, светильники для подсветки рабочей зоны на кухне, обычно снабжены соединительными элементами и перемычками для установки устройств в различной конфигурации.

 

Читайте также: Основные преимущества светодиодного освещения и светильников

Светодиоды: строение и принцип работы

Поиск альтернативных источников освещения, более безопасных и менее затратных, стал главной причиной создания светодиодных ламп. Светодиодные технологии – это не только наше настоящее, но и будущее. В данной статье рассмотрим, из чего состоит светодиод, и по какому принципу он работает.

Светодиод (с англ. LED – light emitting diode) представляет собой полупроводниковый прибор, вырабатывающий оптическое (видимое для человеческого глаза) излучение.

Строение светодиода.

На самом деле, существует масса различных конструкций светодиодов, но самая распространенная из них – традиционный корпус размером 5 мм. Его строение изображено на рисунке.

 

Как видим, светодиод оснащен 2-мя выводами – анодом и катодом. Особенность катода здесь в том, что на нем установлен алюминиевый параболический отражатель, или рефлектор. Внешне он напоминает небольшое углубление, своеобразную воронку, на дне которой расположен светоизлучающий кристалл.

В качестве активного элемента выступает полупроводниковый монокристалл; в современных светодиодах он имеет квадратную форму (похож на чип размером 0,3*0,3*0,25 мм). Он содержит омические контакты и гетеропереход (p-n типа).

Своеобразная перемычка из золота служит для соединения кристалла с анодом. Прозрачный полимерный корпус выполняет функцию фокусирующей линзы с рефлектором, определяет направленность излучения светодиода.

 

Для справки: первые светодиоды существенно отличались от нынешних. Основной составляющей в процессе их производства был арсенид галлия, который излучал лишь инфракрасный и красный свет. Сегодня развитие полупроводниковых технологий достигло небывалых высот, что позволяет генерировать видимый свет различных цветов.

 

Принцип работы светодиода.

Как уже говорилось ранее, светодиод создан из полупроводников, преобразующих поступающий ток в световое излучение. Особенность здесь в том, что ток проходит лишь в одном направлении, т.е. от анода к катоду и не идет обратно. Так, кристаллами полупроводника создается p-n переход. Электроны, встречаясь с дырками, теряют свою энергию, благодаря которой в последующем и образуются фотоны (частички света).  

 

Так как же все-таки происходит свечение? Попробуем разобраться. В принципе работы светодиода нет ничего сложного: свет выделяется благодаря тому, что в области p-n перехода происходит обмен местами между электронами и дырками. Проблема в том, что одного такого p-n перехода может быть недостаточно. Тут нужно, чтобы несколько полупроводников с различными типами проводимости взаимодействовали друг с другом.

 

Углубимся еще больше в физику. Нужно пояснить, что представляют собой эти «электроны и дырки», и какая роль им отведена. Между проводниками и диэлектриками гордо располагаются полупроводники. Если увеличить температуру, уменьшится сопротивление полупроводника, и, следовательно, будет выше электропроводимость, чего не скажешь о металле. Именно поэтому в полупроводниках наблюдается рост количества способных переносить электрический ток электронов.

 

«Дырка» — это место в кристаллической решетке. Энергия, воздействую на него, перемещает электроны из верхних атомных оболочек, благодаря чему образуется положительный заряд. Электроны двигаются к «+», дырки – к «-». Оставленные ими места мгновенно заполняются свободными электронами. В полупроводнике дырки и электроны находятся в одинаковом количестве, но движутся в разных направлениях. Если в него добавить другие элементы, можно увеличить проводимость. Такая проводимость с примесями делится на два вида: p-типа (дырочная) и n-типа (электронная). 

Электроны и дырки посредством диффузии проникают через слой, который образуется в самом полупроводнике между участками разной проводимости. Это нужно для того, чтобы по разным сторонам слоя концентрация электронов и дырок была одинаковая. Такое явление имеет важное значение. Оно позволяет усиливать или же снижать ток путем воздействия на промежуточный слой напряжением. А после рекомбинирования (перескакивания) дырок и электронов (происходит снижение барьера в p-n переходе) и выделяется энергия.

Вот по такому принципу работают  диоды и транзисторы.

ECSTUFF4U для инженера-электронщика: светодиодные конструкции

Светоизлучающий диод (СИД) — это компонент, который преобразует электрический сигнал в соответствующий свет, подаваемый в волокно. По сути, излучатель света является ключевым элементом любой волоконно-оптической системы. По сути, светодиод представляет собой диод с PN-переходом.

Гетеропереходы

А (гетеропереход) — это интерфейс между двумя соседними монокристаллическими полупроводниковыми приборами с различной шириной запрещенной зоны.

Гетеропереходы бывают двух типов: антиизотип (p-n) или изотип (n-n или pp)

Двойные гетеропереходы (DH)

Для достижения эффективного удержания излучаемого излучения в светодиодных конструкциях используются двойные гетеропереходы. В двойном гетеропереходе заштрихованные области представляют уровни энергии рекомбинации свободного заряда, происходящей только в неактивном слое InGaAsP.

Гетеропереход представляет собой соединение, образованное разнородными полупроводниками. Двойной гетеропереход (DH) образован двумя разными полупроводниками по обе стороны от активной области.

На рисунке показан излучатель света с двойным гетеропереходом (DH).

Излучатель с двойным гетеропереходом (DH)

Два материала имеют разные показатели преломления и разные значения ширины запрещенной зоны. Эта структура может изменять ширину запрещенной зоны, создавая потенциальный барьер как для дырок, так и для электронов, а также некоторые свободные заряды могут рекомбинировать только в узкополосной, четко определенной стороне активного слоя.

Структура с двойным гетеропереходом будет ограничивать как дырки, так и электроны узким активным слоем. Таким образом, в узле DH при смещении пересылки большое количество несущих будет введено в активные области, где они эффективно ограничены. Одним из самых преимуществ светодиода является сужение выходного луча.

Преимущества светодиодной структуры:

• Рекомбинация несущих происходит в небольшой области
• излучение света происходит в оптическом волноводе, который служит для сужения выходного луча.

Светоизлучающий диод (LED) — это компонент, который преобразует электрический сигнал в соответствующий свет, подаваемый в волокно. По сути, излучатель света является ключевым элементом любой волоконно-оптической системы. По сути, светодиод представляет собой диод с PN-переходом.

Гетеропереходы

А (гетеропереход) — это интерфейс между двумя соседними монокристаллическими полупроводниковыми приборами с различной шириной запрещенной зоны.

Гетеропереходы бывают двух типов: антиизотип (p-n) или изотип (n-n или pp)

Двойные гетеропереходы (DH)

Для достижения эффективного удержания излучаемого излучения в светодиодных конструкциях используются двойные гетеропереходы. В двойном гетеропереходе заштрихованные области представляют уровни энергии рекомбинации свободного заряда, происходящей только в неактивном слое InGaAsP.

Гетеропереход представляет собой соединение, образованное разнородными полупроводниками. Двойной гетеропереход (DH) образован двумя разными полупроводниками по обе стороны от активной области. На рисунке показан излучатель света с двойным гетеропереходом (DH).

Излучатель с двойным гетеропереходом (DH)

Два материала имеют разные показатели преломления и разные значения ширины запрещенной зоны. Эта структура может изменять ширину запрещенной зоны, создавая потенциальный барьер как для дырок, так и для электронов, а также некоторые свободные заряды могут рекомбинировать только в узкополосной, четко определенной стороне активного слоя.

Структура с двойным гетеропереходом будет ограничивать как дырки, так и электроны узким активным слоем. Таким образом, в узле DH при смещении пересылки большое количество несущих будет введено в активные области, где они эффективно ограничены. Одним из самых преимуществ светодиода является сужение выходного луча.

Преимущества светодиодной структуры:

• Рекомбинация несущих происходит в небольшой области
• излучение света происходит в оптическом волноводе, который служит для сужения выходного луча.

Структура светоизлучающего диода » Примечания по электронике

Подробная информация о том, как производится светоизлучающий диод, светодиод – его структура, изготовление, подробности о типах конструкции светодиодов.

---

Учебное пособие по светоизлучающим диодам Включает:
Светодиод Как работает светодиод Как делают светодиод Технические характеристики светодиодов срок службы светодиода светодиодные пакеты Светодиоды высокой мощности/яркости Технология светодиодного освещения Органические светодиоды, OLED

Другие диоды: Типы диодов

---

Существует очень много различных типов светодиодов, но чтобы объяснить, как они изготавливаются и какова их структура, лучше всего начать с конструкции и изготовления простого индикаторного светодиода.

Светодиоды

представляют собой специальную форму диодов с PN-переходом, которые были разработаны для оптимизации их электролюминесценции. Для достижения оптимальных результатов структура и производственные процессы должны быть адаптированы для обеспечения оптимальной светоотдачи.

Существует ряд различных аспектов конструкции и производства светодиодов. К ним относится не только изготовление самого светодиода, но и упаковка светодиода после изготовления самого полупроводникового чипа.

Структура кристалла светодиода

Кристалл или собственно полупроводниковый элемент светоизлучающего диода является активной частью всего диода. Можно использовать две основные конфигурации.

• Структура светодиодов с краевым излучением:  Эта форма светодиодной структуры излучает свет в плоскости, параллельной соединению PN-соединения. В этой конфигурации свет может быть ограничен узким углом.
• Светодиодная структура с поверхностным излучением: Эта форма светодиодной структуры излучает свет перпендикулярно плоскости PN-перехода.

Активные пленки светодиодных структур обычно выращивают эпитаксиально, часто с помощью эпитаксии в жидкой или паровой фазе. Подложки выбираются так, чтобы их решетка была близкой к активным слоям.

Общие подложки: GaAS, GaP, InP. PN-переход может быть создан либо путем диффузии примесей, ионной имплантации, либо он может быть внедрен во время фазы эпитаксиального роста.

Коммерчески светодиоды существуют в самых разных формах, начиная от отдельных светодиодных индикаторов, где в упаковке находится только один светодиод, и заканчивая разнообразными дисплеями и огромными массивами светодиодов в светодиодных экранах.

Для некоторых ограниченных приложений можно использовать различные типы диодных переходов светодиодов PN. Это могут быть контакты Шоттки и переходы МДП (металл-внутренний-полупроводник). Однако они, как правило, менее эффективны, а иногда их труднее надежно сформировать.

Общая структура пакета светодиодов

Существует множество различных стилей светодиодов. Одним из наиболее широко используемых является простой пакет светодиодных индикаторов. Это дает представление о способе упаковки светодиодов.

В дополнение к очень простому светодиодному индикатору существует много других типов светодиодов, включая буквенно-цифровые дисплеи и более сложные светодиодные дисплеи.

Структуру светодиодного индикатора панели можно разделить на три основных элемента:

• Полупроводниковый кристалл:   Это сам полупроводниковый элемент светоизлучающего диода.
• Выводная рама:   В этой части упаковки светодиодов находится кристалл и обеспечивается соединение.
• Инкапсуляция:   Окружает сборку и действует как защита. Он также предназначен для рассеивания света требуемым образом.

Матрица вклеивается в выемку в одной половине выводной рамки, которая из-за своей формы называется наковальней. Это делается с помощью токопроводящей эпоксидной смолы.